第二章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

第2章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)一半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識二PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管三半導(dǎo)體三極管四場效應(yīng)管1半導(dǎo)體及其特點(diǎn)

在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的特性：熱敏性、光敏性、雜敏性。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價(jià)電子。一半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。2本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負(fù)電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制3N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對4

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū)

阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層

1.PN結(jié)的形成

二PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動＞漂移運(yùn)動→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動＞擴(kuò)散運(yùn)動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆3PN結(jié)的電容效應(yīng)

當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí)，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)結(jié)電容(2)擴(kuò)散電容

當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）4半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。

二極管按結(jié)構(gòu)材料分兩種：硅二極管鍺二極管(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。5二極管的V—A特性

硅：0.5V鍺：

0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V6二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR——————————

二極管反向電流急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)最大反向電流IR----

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。

(4)最高工作頻率--

當(dāng)二極管的工作頻率超過這個數(shù)值就失去單向?qū)щ娦浴?二極管的等效電路及應(yīng)用DU考慮正向壓降的等效電路UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管等效電路正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性二極管的近似分析計(jì)算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：考慮正向壓降的等效電路測量值9.32mA相對誤差理想二極管等效電路RI10VE1kΩ相對誤差0.7V例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管等效電路、考慮正向壓降的等效電路計(jì)算電流I和輸出電壓uo解：采用理想二極管等效電路分析

考慮正向壓降的等效電路分析（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管等效電路、考慮正向壓降的等效電路分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管等效電路分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用考慮正向壓降的等效電路分析，波形如圖所示。穩(wěn)壓二極管變?nèi)荻O管發(fā)光二極管光電二極管肖特基二極管光電池8特種二極管光電池做成的便攜式冰箱

半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。BJT是由兩個PN結(jié)組成的。三半導(dǎo)體三極管1/15/20231半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號:

三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。（2）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（3）集電區(qū)面積大，以利于收集載流子--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極2三極管的電流放大原理（NPN管）

三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)1/15/2023

（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN

。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈

IEN。

（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

。

另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。3

三極管的特性曲線(1)輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于兩個PN結(jié)并聯(lián)。（3）uCE≥1V再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。

（2）當(dāng)uCE=1V時(shí)，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復(fù)合減少，在同一uBE電壓下，iB減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導(dǎo)通壓降硅0.7V鍺0.3V

(2)輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。

（1）當(dāng)uCE=0

V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。（3）當(dāng)uCE＞1V后，收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí)，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)4三極管的主要參數(shù)（1）電流放大系數(shù)(V)CE=20uA(mA)B=40uAIu=0=80uAIBBBIIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間共發(fā)射極電流放大系數(shù)：靜態(tài)動態(tài)

（2）極間反向電流

（b）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO

基極開路時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。

（a）集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時(shí)，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實(shí)際上就是一個PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。鍺管：ICBO為微安數(shù)量級，硅管：ICBO為納安數(shù)量級。++ICBOecbICEO（3）極限參數(shù)

Ic增加時(shí)，要下降。當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的70％時(shí)，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（a）集電極最大允許電流ICM（b）集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM

（c）反向擊穿電壓

BJT有兩個PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：

①

U（BR）EBO——集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。②U（BR）CBO——發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。③U（BR）CEO——基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。在實(shí)際使用時(shí)，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU5三極管的等效電路及應(yīng)用iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非線性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0++++i-uBE+-uBCE+Cibeec

半導(dǎo)體三極管的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：3DG110B1/15/2023肖特基三極管6特種三極管光電三極管光電耦合器

BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道分類：

絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。四場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)三極管

絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強(qiáng)型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)

以摻雜濃度低的P型作為襯底，擴(kuò)散兩個高摻雜濃度的N型區(qū)，絕緣層上引出源極s和漏極d，絕緣層上積淀薄鋁作為柵極g符號：

當(dāng)uGS＞0V時(shí)，金屬柵極感應(yīng)到正電荷，P型一側(cè)感應(yīng)出電子，此少量電子被P型襯底中大量空穴中和，仍無溝道。（2）工作原理

當(dāng)uGS=0V時(shí)，總有一個PN結(jié)反偏，沒有導(dǎo)電溝道

再增加uGS，在P型襯底表面感應(yīng)出一個由電子組成的N型層，與兩個N區(qū)之間有良好的接觸，形成N型導(dǎo)電溝道。

uGS

越大，溝道電阻越小。

當(dāng)uDS>0V時(shí)，管子導(dǎo)通2N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

3

P溝道耗盡型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。四種絕緣柵場效應(yīng)管的電路符號本章小結(jié)1．半導(dǎo)體材料中有兩種載流子：電子和空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電。在純凈半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，可以得到N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。2．采用一定的工藝措施，使P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就形成了PN結(jié)。PN結(jié)的基本特點(diǎn)是單向?qū)щ娦浴?．二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的。其特性可以用伏